ข่าวสาร – เพชร/ทองแดงคอมโพสิต

นับตั้งแต่ทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา ความหนาแน่นของการผสานรวมวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้เพิ่มขึ้นในอัตรา 1.5 เท่าหรือมากกว่าต่อปี การผสานรวมที่สูงขึ้นนำไปสู่ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าและการเกิดความร้อนที่สูงขึ้นระหว่างการทำงานหากไม่ได้รับการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ ความร้อนดังกล่าวอาจทำให้เกิดความล้มเหลวทางความร้อนและลดอายุการใช้งานของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์

เพื่อตอบสนองความต้องการในการจัดการความร้อนที่เพิ่มสูงขึ้น วัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงที่มีค่าการนำความร้อนที่เหนือกว่ากำลังได้รับการวิจัยและปรับปรุงอย่างกว้างขวาง

วัสดุผสมเพชร/ทองแดง

01 เพชรและทองแดง

วัสดุบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมประกอบด้วยเซรามิก พลาสติก โลหะ และโลหะผสม เซรามิกส์อย่าง BeO และ AlN มี CTE ที่เทียบเท่ากับสารกึ่งตัวนำ มีความเสถียรทางเคมีที่ดี และมีค่าการนำความร้อนปานกลาง อย่างไรก็ตาม กระบวนการแปรรูปที่ซับซ้อน ต้นทุนสูง (โดยเฉพาะ BeO ซึ่งเป็นพิษ) และความเปราะบางของวัสดุเหล่านี้ เป็นข้อจำกัดในการใช้งาน บรรจุภัณฑ์พลาสติกมีต้นทุนต่ำ น้ำหนักเบา และเป็นฉนวนไฟฟ้า แต่มีค่าการนำความร้อนต่ำและความไม่เสถียรที่อุณหภูมิสูง โลหะบริสุทธิ์ (Cu, Ag, Al) มีค่าการนำความร้อนสูงแต่มีค่า CTE สูง ในขณะที่โลหะผสม (Cu-W, Cu-Mo) มีประสิทธิภาพทางความร้อนลดลง ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีวัสดุบรรจุภัณฑ์ใหม่ๆ ที่มีความสมดุลระหว่างค่าการนำความร้อนสูงและค่า CTE ที่เหมาะสม

การเสริมแรง	ค่าการนำความร้อน (W/(m·K))	CTE (×10⁻⁶/℃)	ความหนาแน่น (g/cm³)
เพชร	700–2000	0.9–1.7	3.52
อนุภาค BeO	300	4.1	3.01
อนุภาค AlN	150–250	2.69	3.26
อนุภาค SiC	80–200	4.0	3.21
อนุภาค B₄C	29–67	4.4	2.52
เส้นใยโบรอน	40	~5.0	2.6
อนุภาค TiC	40	7.4	4.92
อนุภาค Al₂O₃	20–40	4.4	3.98
หนวดเครา SiC	32	3.4	-
อนุภาค Si₃N₄	28	1.44	3.18
อนุภาค TiB₂	25	4.6	4.5
อนุภาค SiO₂	1.4	<1.0	2.65

เพชรซึ่งเป็นวัสดุธรรมชาติที่แข็งที่สุดเท่าที่รู้จัก (โมห์ส 10) และยังมีคุณสมบัติพิเศษการนำความร้อน (200–2200 W/(m·K)).

ผงเพชรไมโคร

ทองแดง, กับ การนำความร้อน/ไฟฟ้าสูง (401 W/(m·K))ความเหนียว และประสิทธิภาพด้านต้นทุน ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในไอซี

การรวมคุณสมบัติเหล่านี้เข้าด้วยกันเพชร/ทองแดง (Dia/Cu) คอมโพสิต—โดยใช้ Cu เป็นเมทริกซ์และเพชรเป็นวัสดุเสริมแรง—กำลังกลายมาเป็นวัสดุจัดการความร้อนรุ่นถัดไป

02 วิธีการผลิตที่สำคัญ

วิธีการทั่วไปในการเตรียมเพชร/ทองแดง ได้แก่ การผงโลหะ วิธีการอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง วิธีการแช่หลอมเหลว วิธีการเผาผนึกด้วยพลาสม่าแบบปล่อย วิธีการพ่นเย็น เป็นต้น

การเปรียบเทียบวิธีการเตรียม กระบวนการ และคุณสมบัติที่แตกต่างกันของคอมโพสิตเพชร/ทองแดงขนาดอนุภาคเดี่ยว

พารามิเตอร์	ผงโลหะวิทยา	การกดด้วยความร้อนแบบสูญญากาศ	การเผาผนึกด้วยประกายพลาสมา (SPS)	แรงดันสูงอุณหภูมิสูง (HPHT)	การพ่นเคลือบแบบเย็น	การแทรกซึมของของเหลวที่ละลาย
ประเภทเพชร	เอ็มบีดี8	HFD-D	เอ็มบีดี8	เอ็มบีดี4	พีดีเอ	MBD8/เอชดีเอชดี
เมทริกซ์	ผงทองแดง 99.8%	ผง Cu อิเล็กโทรไลต์ 99.9%	ผงทองแดง 99.9%	โลหะผสม/ผง Cu บริสุทธิ์	ผง Cu บริสุทธิ์	ทองแดงบริสุทธิ์แบบแท่ง/จำนวนมาก
การปรับเปลี่ยนอินเทอร์เฟซ	-	-	-	บี, ทีไอ, ซิลิกอน, โครมาโตกราฟี, แซดอาร์, ดับเบิลยู, โม	-	-
ขนาดอนุภาค (μm)	100	106–125	100–400	20–200	35–200	50–400
เศษส่วนปริมาตร (%)	20–60	40–60	35–60	60–90	20–40	60–65
อุณหภูมิ (°C)	900	800–1050	880–950	1100–1300	350	1100–1300
แรงดัน (MPa)	110	70	40–50	8000	3	1–4
เวลา (นาที)	60	60–180	20	6–10	-	5–30
ความหนาแน่นสัมพัทธ์ (%)	98.5	99.2–99.7	-	-	-	99.4–99.7
ผลงาน
ค่าการนำความร้อนที่เหมาะสม (W/(m·K))	305	536	687	907	-	943

เทคนิคการผสม Dia/Cu ทั่วไป ได้แก่:

(1)ผงโลหะวิทยา
ผงเพชรผสม/Cu จะถูกอัดและเผาผนึก แม้จะประหยัดและใช้งานง่าย แต่วิธีนี้ให้ความหนาแน่นจำกัด โครงสร้างจุลภาคที่ไม่สม่ำเสมอ และขนาดตัวอย่างที่จำกัด

Sหน่วยกักขัง

(1)แรงดันสูงอุณหภูมิสูง (HPHT)
การใช้เครื่องอัดแบบหลายทั่ง ทองแดงหลอมเหลวจะแทรกซึมเข้าไปในโครงตาข่ายเพชรภายใต้สภาวะที่รุนแรง ทำให้เกิดวัสดุผสมที่มีความหนาแน่นสูง อย่างไรก็ตาม HPHT ต้องใช้แม่พิมพ์ที่มีราคาแพงและไม่เหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่

Cสำนักพิมพ์ยูบิก

(1)การแทรกซึมของของเหลวที่ละลาย
ทองแดงหลอมเหลวแทรกซึมเข้าไปในพรีฟอร์มของเพชรผ่านการแทรกซึมแบบใช้แรงดันหรือแบบแคปิลลารี คอมโพสิตที่ได้มีค่าการนำความร้อนมากกว่า 446 W/(m·K)

(2)การเผาผนึกด้วยประกายพลาสมา (SPS)
กระแสไฟฟ้าแบบพัลส์จะเผาผงผสมอย่างรวดเร็วภายใต้แรงดัน แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพ แต่ประสิทธิภาพของ SPS จะลดลงเมื่อปริมาณเพชรมากกว่า 65% ของปริมาตร

แผนผังของระบบการเผาผนึกพลาสม่าแบบปล่อยประจุ

(5) การสะสมสเปรย์เย็น
ผงจะถูกเร่งและสะสมลงบนวัสดุพิมพ์ วิธีการใหม่นี้กำลังเผชิญกับความท้าทายในการควบคุมพื้นผิวและการตรวจสอบประสิทธิภาพเชิงความร้อน

03 การปรับเปลี่ยนอินเทอร์เฟซ

สำหรับการเตรียมวัสดุคอมโพสิต การเปียกร่วมกันระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ถือเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับกระบวนการคอมโพสิต และเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อโครงสร้างส่วนต่อประสานและสถานะการยึดติดของส่วนต่อประสาน สภาวะไม่เปียกที่ส่วนต่อประสานระหว่างเพชรและทองแดงทำให้มีความต้านทานความร้อนที่ส่วนต่อประสานสูงมาก ดังนั้น การวิจัยการดัดแปลงส่วนต่อประสานระหว่างทั้งสองจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดด้วยวิธีการทางเทคนิคที่หลากหลาย ปัจจุบัน มีสองวิธีหลักในการแก้ไขปัญหาส่วนต่อประสานระหว่างเมทริกซ์เพชรและทองแดง ได้แก่ (1) การปรับสภาพพื้นผิวของเพชร และ (2) การปรับสภาพโลหะผสมของเมทริกซ์ทองแดง

แผนผังการปรับเปลี่ยน: (ก) การชุบโดยตรงบนพื้นผิวของเพชร; (ข) การผสมโลหะผสมเมทริกซ์

(1) การปรับเปลี่ยนพื้นผิวของเพชร

การชุบธาตุที่มีฤทธิ์ เช่น Mo, Ti, W และ Cr บนชั้นผิวของเฟสเสริมแรง สามารถปรับปรุงคุณสมบัติพื้นผิวของเพชร ซึ่งส่งผลให้การนำความร้อนดีขึ้น การเผาผนึกสามารถทำให้ธาตุข้างต้นทำปฏิกิริยากับคาร์บอนบนพื้นผิวของผงเพชร ก่อให้เกิดชั้นทรานซิชันคาร์ไบด์ วิธีนี้ช่วยปรับสภาวะการเปียกระหว่างเพชรและฐานโลหะให้เหมาะสมที่สุด และการเคลือบยังช่วยป้องกันการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเพชรที่อุณหภูมิสูง

(2) การผสมโลหะผสมทองแดง

ก่อนการแปรรูปวัสดุคอมโพสิต จะมีการเตรียมโลหะผสมทองแดงก่อน ซึ่งสามารถผลิตวัสดุคอมโพสิตที่มีค่าการนำความร้อนสูงโดยทั่วไป การเจือธาตุที่ออกฤทธิ์ในเมทริกซ์ทองแดงไม่เพียงแต่ช่วยลดมุมเปียกระหว่างเพชรและทองแดงได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังสร้างชั้นคาร์ไบด์ที่ละลายได้ในเมทริกซ์ทองแดงที่บริเวณรอยต่อระหว่างเพชรและทองแดงหลังปฏิกิริยา ด้วยวิธีนี้ ช่องว่างส่วนใหญ่ที่รอยต่อระหว่างวัสดุจะถูกปรับเปลี่ยนและเติมเต็ม ซึ่งจะช่วยปรับปรุงค่าการนำความร้อน

04 บทสรุป

วัสดุบรรจุภัณฑ์แบบเดิมไม่สามารถจัดการความร้อนจากชิปขั้นสูงได้ คอมโพสิต Dia/Cu ที่มี CTE ที่ปรับได้และค่าการนำความร้อนที่สูงมาก ถือเป็นโซลูชันที่พลิกโฉมวงการสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่

ในฐานะองค์กรด้านเทคโนโลยีขั้นสูงที่ผสานรวมอุตสาหกรรมและการค้า XKH มุ่งเน้นไปที่การวิจัยและพัฒนาและการผลิตคอมโพสิตเพชร/ทองแดงและคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะประสิทธิภาพสูง เช่น SiC/Al และ Gr/Cu โดยมอบโซลูชันการจัดการความร้อนเชิงนวัตกรรมที่มีค่าการนำความร้อนมากกว่า 900W/(m·K) สำหรับสาขาการบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ โมดูลพลังงาน และการบินและอวกาศ

เอ็กซ์เคเอช-วัสดุคอมโพสิตลามิเนตเคลือบทองแดงเพชร:

เวลาโพสต์: 12 พฤษภาคม 2568

คอมโพสิตเพชร/ทองแดง – สิ่งสำคัญต่อไป!